EPREUVE DE CULTURE SCIENTIFIQUE GEOSCIENCES Exercice 1: Structure verticale de la troposphère Dans cet exercice nous allons décrire la structure thermique verticale des couches les plus basses de l atmosphère terrestre. La signification de certains symboles et la valeur de certaines constantes physiques sont données dans la Tab.1. La première loi de la thermodynamique peut être écrite ainsi : c v dt + pd = J (1) où dt et d sont les variations de température et de volume spécifique (l inverse de la densité), p est la pression et J représente l énergie fournie au système depuis l extérieur. Symbole Signification Valeur R Constante spcifique des gaz parfaits pour l air 287 Jkg 1 K 1 c p Chaleur spécifique de l air sec à pression constante 1005 Jkg 1 K 1 c v Chaleur spécifique de l air sec à volume constant 717 Jkg 1 K 1 Densité de l air 1 Kg m 3 g accélération de gravité à la surface de la Terre 9.81 ms 2 Table 1: Signification et valeur de certains symboles non définis dans le texte. question 1 On fera l hypothèse que l atmosphère est sèche, adiabatique et hydrostatique, c est à dire que dp dz = g, 1.1 Quel est la variation de pression avec la hauteur, dans la cas d atmosphére isothérme? 1.2 Trouver le profil adiabatique sec, c est à dire la dérivée verticale de la température de l atmosphère. suggestion : utiliser l éq.1 et la loi des gaz parfaits : p = RT. Pour rappel, l approximation hydrostatique s crit dp dz = question 2 2.1 Si la température moyenne de la Terre au niveau de la mer est de 15 C, quelle est la température à 2000 mètres d altitude, en admettant toujours les hypothèses spécifiées plus haut? 1 g.
2.2 L estimation au point précédent est en fait beaucoup trop froide par rapport aux données observées ; pourquoi? Quel est l élément manquant? question 3 Montrer que, toujours dans l hypothèse d atmosphère sèche, hydrostatique et adiabatique, la température peut être exprimée comme une fonction de la pression (p), avec la formule suivante : T (p) =T 0 p p 0 R cp (2) Où T 0 est la température à un niveau de pression de référence p 0. R p0 cp = T (p), obténue de l inversion de (2), est appelée température potentielle ; c est la température qu aurait une particule d air si elle était déplacée adia- p batiquement au niveau de pression de référence p 0, typiquement 1000 mb. Son profil vertical nous dit si l atmosphère est stable ou instable verticalement par rapport à des perturbations. Quand l atmosphère est instable, des mouvements convectifs apparaissent. 200 300 Pressure (hpa) 400 500 600 700 5 4 3 7 6 10 9 8 800 2 900 1 1000 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 Temperature ( C) Figure 1: En bleu : plots température-pression des lignes de constante. En rouge: Température mesurée à di érents niveaux par un ballon. question 4 2
4.1 En Fig.1, on montre en bleu des lignes de constante dans un plan températurepression. Les lignes sont numérotées : laquelle correspond à =273.15 K? 4.2 La ligne rouge en Fig.1 montre les mesures de température prises par un ballon à di erents niveaux de pression pendant son ascension. A quels niveaux l atmosphère est-elle instable? question 5 Que sont les mouvements convectifs dans l atmosphère terrestre? Dans quelles régions de la Terre sont-ils le plus fréquent et en quelle saison? 3
Exercice 2 : La convection mantellique En 1931, Arthur Holmes est un des rares partisans de la théorie de la dérive des continents d'alfred Wegener. Selon lui, le manteau terrestre contenait des cellules de convection dissipant la chaleur radioactive et amenant la croûte terrestre vers la surface. Le nombre de Rayleigh s exprime généralement comme : Ra = α v(t 1 T o )ρ o gl 3 (1) µκ où α v est le coefficient d expansion thermique (K -1 ), ρ o la masse volumique, g l accélération de la pesanteur, T 1 et T o les températures en surface et en profondeur respectivement, µ la viscosité dynamique (Pa.s), κ la diffusivité thermique (m 2.s -1 ) et L la longueur caractéristique du système. Question 1 : 1.1 Quelle est la signification physique du terme α v (T 1 T o )ρ o gl? On précisera notamment son unité. 1.2 Quelle est la signification physique du terme µκ /L 2? 1.3 En déduire la signification du nombre de Rayleigh? Dans la pratique, un système se met à convecter pour Ra >1000. Enfin, lorsque la source de chaleur est interne, comme pour le cas de la radioactivité dans le manteau d une planète tellurique, on peut s affranchir de la connaissance du gradient de température car le nombre de Rayleigh peut s écrire de la manière suivante : Ra H = α vρ 2 o ghl 5 µκk (2) où les paramètres sont les mêmes que dans l équation (1) et où H est la puissance thermique de chauffe par unité de masse (W.kg -1 ) et k la conductivité thermique (W.m -1.K -1 ). La suite de cette partie consiste à déterminer le nombre de Rayleigh dans le manteau terrestre. Question 2 : Pour ce faire, on cherche d abord à calculer la densité moyenne du manteau terrestre, et ce grâce à la valeur du moment d inertie terrestre C. On rappelle que le moment d inertie d une sphère de rayon a et de densité ρ(r) est donné par la formule suivante : a C = 8π ρ(r)r 4 dr 3 0 (3) 2.1 Pour une sphère de densité constante ρ o, trouvez une relation simple entre la masse de la sphère M et son moment d inertie C. Quelle est alors la valeur du moment d inertie normalisé, défini par C/Ma 2? 2.2 Le tableau suivant donne les valeurs mesurées de C/Ma 2 pour la Terre, Mars et
Vénus et la Lune. Commentez.! Rayon! Masse!(kg)! C/Ma 2! (km)! Terre! 6370!!!!!5,97x10 24! 0,33! Lune! 1730!!!!!7,34!x10 22! 0,39! Vénus! 6051!!!!!4,86x10 24! 0,36! Mars! 3390!!!!!0,64x10 24! 0,33! 2.3 On suppose que la densité moyenne dans le noyau terrestre (3400km de rayon, noyau externe inclus) est de 10. En déduire la masse et la densité moyenne du manteau terrestre (nb : on négligera l existence d une croûte terrestre dans ce calcul). Question 3 : On cherche maintenant à calculer la puissance thermique H. Pour ce faire, les géophysiciens réalisent des mesures de flux de chaleur en surface (figure 2). 3.1 A quoi correspondent les zones de flux de chaleur les plus importantes sur Terre? 3.2 A quoi correspondent les zones de flux de chaleur les plus faibles? 3.3 On estime le flux moyen de chaleur sur Terre à 65mW/m 2. En déduire la puissance thermique moyenne produite par unité de masse H (W.kg -1 ) par la Terre. 3.4 On considère en fait que 20% de cette chaleur est produite dans la croûte terrestre, que 20% provient du refroidissement séculaire de la planète, et que par ailleurs, le noyau terrestre ne contient pas d éléments radioactifs. En déduire la puissance thermique H dégagée par le manteau terrestre à proprement parler. Question 4 : Le chauffage interne du manteau est essentiellement attribué à la décroissance radioactive des isotopes de l uranium 235 U et 238 U, et de l isotope du thorium 232 Th. Le taux de chauffe et les demi-vies de ces trois isotopes sont donnés dans le tableau suivant:! H!(W.kg F1 )! T 1/2!(années)! 238U! 9,46x10 F5! 4,47x10 9! 235U! 5,69x10 F4! 7,04x10 8! 232Th! 2,64x10 F5! 1,4x10 10! 4.1 Au temps présent, l uranium naturel est composé à 99,28% d 238 U et 0.71% d 235 U, et le thorium naturel composé à 100% de 232 Th. Par ailleurs, les études géochimiques montrent qu au temps présent C Th o/c U o = 4, et ce quelles que soient les roches dans lesquelles on a pu les mesurer. En déduire les concentrations en Uranium, puis en Thorium dans le manteau terrestre. 4.2 En se rappelant C(t) : C o exp (-0.69 t / T 1/2 ), le lien entre la concentration d un isotope radioactif au temps t, sa concentration Co au temps présent et sa demi-vie, en déduire la puissance thermique dégagée par le manteau terrestre à un temps t de son histoire géologique.! 5
4.3 Quel est l âge de la Terre, et quelle puissance thermique dégageait le manteau terrestre alors? Commentez brièvement ce résultat. Question 5 : On cherche maintenant à déterminer la viscosité du manteau. Pour cela, on utilise des modèles de déformation visqueuse qui montrent que le déplacement d une surface solide sur un «fluide» visqueux décroît de manière exponentielle au fur et à mesure que le «fluide» visqueux peut s écouler sur les bords. La variation de niveau de la topographie de la surface s exprime alors selon la loi suivante : h=h m exp(-t/τ), où τ = 4πµ/ρgλ (4) où µ est la viscosité dynamique, g l accélération de la pesanteur, ρ la masse volumique du solide et λ la longueur d onde caractéristique de la surface solide. 5.1 La figure 3a montre des figures de paléo-rivages surélevés au nord de la Suède. Pourquoi mesure-t-on aujourd hui un soulèvement vertical d environ 2mm/an partout en Scandinavie. 5.2 Sur la figure 3b, la courbe noire montre la meilleure approximation obtenu par le modèle exponentiel pour l évolution de la topographie au cours du temps. Commentez et déterminer approximativement le temps de relaxation τ. 5.3 Dans le cas du bouclier scandinave, une longueur d onde raisonnable est de l ordre de 3000km. En déduire l ordre de grandeur de la viscosité mantellique. Question 6 : Les autres paramètres qui interviennent dans le calcul du nombre de Rayleigh peuvent tous être mesurés au laboratoire. Ainsi, pour l olivine, la conductivité thermique k est de l ordre du 4 W.m -1.K -1, la diffusivité thermique κ de l ordre de 10-4 m 2.s -1 et l expansion thermique α v de 3x10-5 K -1. 6.1 En utilisant la somme des résultats précédents, en déduire le nombre de Rayleigh du manteau terrestre. Qu en déduisez vous? 6.2 En utilisant le résultat de la question 4b, déterminez quand le manteau terrestre cessera de convecter. Commentez ce résultat au vu de vos connaissances sur la durée de vie d une étoile. 6.3 Quelles sont, à votre avis, et en quelques lignes, les limites de ce calcul?! 6
Figure 2. Carte du flux de chaleur (mw/m 2 ) mesuré à la surface du globe. Figure 3. A) Plages surélevées à Östergransholm, Suède. Le soulèvement vertical actuel est de 2mm/an. B) Soulèvement de l embouchure de la rivière Angerman, Suède, en fonction du temps au cours des derniers 10000 ans. La courbe noire indique l approximation exponentielle, les cercles indiquent les points de mesure.! 7